控制系统计算机辅助设计课件.ppt

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1、第6章控制系统计算机辅助设计1设计一个自动控制系统一般经过以下三步:根据任务要求，选定控制对象；根据性能指标的要求，确定系统的控制规律，并设计出满足这个控制规律的控制器，初步选定构成控制器的元器件；将选定的控制对象和控制器组成控制系统，如果构成的系统不能满足或不能全部满足设计要求的性能指标，还必须增加合适的元件，按一定的方式连接到原系统中，使重新组合起来的系统全面满足设计要求。原系统控制器控制对象校正系统原系统校正装置能使系统的控制性能满足控制要求而有目的地增添的元件称为控制系统的校正器或称校正装置.图6.1系统综合与校正示意图2必须指出，并非所有经过设计的系统都要经过综合与校正这一步骤

2、，对于控制精度和稳定性能都要求较高的系统，往往需要引入校正装置才能使原系统的性能得到充分的改善和补偿。反之，若原系统本身结构就简单而且控制规律与性能指标要求又不高，通过调整其控制器的放大系数就能使系统满足实际要求的性能指标。在控制工程实践中，综合与校正的方法应根据特定的性能指标来确定。一般情况下，若性能指标以稳态误差、峰值时间、最大超调量、和过渡过程时间、等时域性能指标给出时，应用根轨迹法进行综合与校正比较方便;如果性能指标是以相角裕度r幅值裕度、相对谐振峰值、谐振频率和系统带宽等频域性能指标给出时,应用频率特性法进行综合与校正更合适。对单变量系统来说，校正装置接入系统的主要形式有两种，

3、即串联校正和并联校正。36.1基于传递函数的控制器设计方法一般的控制目的是使得输出信号能很好地跟踪输入信号，这样的控制也称为伺服控制。在这个基本的控制结构下，误差信号E(s)和控制信号U(s)一般要求其尽可能小。如图6.2所示系统，由于受控对象和控制器为串联，故称其为串联控制。常用的串联控制有超前滞后校正器和PID类控制器。Gc(s)G(s)H(s)R(s)Y(s)-6.2串联校正E(s)U(s)4超前滞后校正器串联超前校正主要是利用超前网络的相角超前特性来提高系统的相角裕量或相对稳定性，而串联滞后校正是利用滞后网络在高频段的幅值衰减特性来提高系统的开环放大系数，从而改善系统的稳态性能。

4、当原系统在剪切频率上的相频特性负斜率较大又不满足相角裕量时，不宜采用串联超前校正，而应考虑采用串联滞后校正。但并不意味着串联滞后一定能有效的代替串联超前校正，稳定的运行于系统上；事实上，在某些情况下可以同时采用串联滞后和超前校正，即滞后-超前校正，综合两种校正方法进行系统校正。5超前滞后校正器的数学模型为其兼有超前和滞后校正器的优点。由图6.3，α>1表示超前部分，β>1表示滞后部分。-1/βT2-1/ɑT1jω0图6.3超前滞后零极点在S平面上的分布-1/T2-1/T16从频率响应的角度来看，串联滞后校正主要用来校正开环频率的低频区特性，而超前校正主要用于改变中频区特性的形状和参数。

5、因此，在确定参数时，两者基本上可独立进行。可先根据动态性能指标的要求确定超前校正装置的参数，在此基础上，再根据稳态性能指标的要求确定滞后装置的参数。应注意的是，在确定滞后校正装置时，尽量不影响已由超前装置校正好了的系统的动态指标，在确定超前校正装置时，要考虑到滞后装置加入对系统动态性能的影响，参数选择应留有裕量。76.1.2控制系统工具箱中的设计界面MATLAB控制工具箱提供了控制器设计界面函数sisotool(G，Gc)，其中G为受控对象模型，Gc为控制器模型。例：受控对象模型为由下面语句启动sisotoolG=zpk([-1],[0,-0.1,-10,-20],10);Gc1=zpk

6、(leadlagc(G,10,55,1000,1));%超前校正器sisotool(G,Gc1)图6.8如图6.8，单击FS可改变控制结构，单击控制器模块可选择控制器。8图6.99图6.10工具栏可改变零极点图6.11Analysis菜单可显示各种响应和分析曲线。Tools/DrawSimulinkDiagram菜单项将自动绘制闭环系统的Simulink仿真框图。10考虑线性、定常、连续控制系统，其状态空间描述为：6.2基于状态空间模型的控制器设计方法++B∫CAxyuD-Fv用u(t)=v(t)-Fx(t)带入开环系统的状态方程模型，则有11如果系统(A,B)完全可控，则选择合适的F矩

7、阵，可以将闭环系统矩阵A-BF的特征值配置在任意地方。换句话说，系统设计问题就是寻找一个控制作用u(t)，使得在其作用下系统运动的行为满足预先所给出的期望性能指标。设计问题中的性能指标可分为非优化型性能指标和优化型性能指标两种类型。非优化型指标是一类不等式型的指标，即只要性能指标值达到或好于期望性能指标就算实现了设计目标，如极点配置问题、解耦控制问题、跟踪问题、调节问题。优化型指标则是一类极值型的指标，设计目标是要使性能指标在所有可